JP2011211799A

JP2011211799A - モータ駆動装置

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Publication number: JP2011211799A
Application number: JP2010075742A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Kuroda; 啓介黒田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-10-20
Also published as: US20110234140A1

Abstract

【課題】専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御可能にし、また、設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮可能にする。
【解決手段】モータ駆動装置は、通電相切換部（３０）と、パワ段（１０）と、ＰＷＭ制御部（４０）と、トルク指令信号と比較基準信号との電圧レベルを比較するトルク比較部（６０）と、比較基準信号を生成する比較基準信号生成部（５０）と、トルク指令信号の電圧レベルが比較基準信号の電圧レベルよりも高い場合にはパワ段（１０）を同期整流ＰＷＭ駆動し、トルク指令信号の電圧レベルが比較基準信号の電圧レベルよりも低い場合には同期整流ＰＷＭ駆動以外でパワ段（１０）を駆動する通電制御部（２０）とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、ブラシレスモータの同期整流ＰＷＭ駆動に関する。

ブラシレスモータの駆動方法の一つとして、駆動コイルに接続される所定のトランジスタをオン／オフ制御することにより、駆動コイルへの通電制御を行うＰＷＭ駆動方式がある。さらに近年では、ＰＷＭ駆動方式において低損失及び高効率化を実現する為の一手段として、同期整流ＰＷＭ駆動方式が広く知られるようになっており、例えば特許文献１に開示されている。

同期整流ＰＷＭ駆動とは、駆動コイルに対となって接続される二つのトランジスタの中、第１のトランジスタのＰＷＭスイッチングオフ時に、第２のトランジスタをオンさせる制御である。駆動コイルに流れる回生電流を、第２のトランジスタに並列に接続されたダイオードを介して流すのでは無く、第２のトランジスタをオンさせて流すことにより、この電流経路で発生する電圧降下を低減することができる。これにより、低損失及び高効率化を達成することが可能となる。

特開２００２−２７２１６２号公報

しかしながら、従来の同期整流PWM駆動の場合、以下の二つの問題があった。

一つ目は、専用のスタート／ストップ指令端子を持たないモータ駆動装置の場合、フリーラン制御できないという問題である。

フリーラン制御とは、駆動コイルに与える電力供給を遮断し、モータの惰性回転速度を緩やかに低下させて、モータを停止させる制御である。モータが搭載される機器によっては、惰性回転速度の急峻な低下が許されず、緩やかに低下させるフリーラン制御が必要な場合がある。

また、モータ駆動装置の仕様によっては、モータの回転トルクを指定するトルク指令信号を直接的又は間接的に制御し、モータのスタート／ストップ指令として共用する場合がある。トルク指令信号のみ制御すれば、モータのスタート／ストップ制御も可能である為、専用のスタート／ストップ指令端子を省略することができる利点がある。具体的手段としては、トルク指令信号のレベルを、モータに回転トルクが発生するレベルまで増加させればスタート指令、モータに回転トルクが発生しないレベルまで低下させればストップ指令と設定される。

図１３を用いて、同期整流ＰＷＭ駆動、且つ専用のスタート／ストップ指令端子を持たないモータ駆動装置の場合における、フリーラン制御できない問題について説明する。

図１３は、同期整流ＰＷＭ駆動の動作例を示した図である。ここでは、三角波を用いてトルク指令信号をスライスすることにより、ＰＷＭ駆動信号が生成されるものとする。駆動コイルに対となって接続される二つのトランジスタの中、一方のトランジスタのＰＷＭ駆動信号、及び他方のトランジスタのＰＷＭ駆動信号は、ハイレベルでオン、ローレベルでオフであるものとする。また、第１のトランジスタのＰＷＭ駆動信号において、オンデューティが長い程、モータ回転トルクが大きくなるものとする。

トルク指令信号のレベルが三角波の下限レベルよりも高い場合、スライサーによりＰＷＭ駆動信号が生成され、第１のトランジスタにハイレベルが与えられる。よって、モータ回転トルクが発生し、モータは回転する。逆に、トルク指令信号のレベルが三角波の下限レベルよりも低い場合、スライスすることができず、第１のトランジスタにハイレベルが与えられない。よって、モータ回転トルクが発生しないゼロトルク状態となり、モータは停止する。すなわち、トルク指令信号のレベルと三角波の下限レベルが等しくなる点が、ゼロトルク限界レベルとなる。

同期整流ＰＷＭ駆動におけるゼロトルク状態は、第１のトランジスタがオフ、第２のトランジスタがオン状態となる。駆動コイル、及び対のトランジスタが複数相ある場合も同様に、第１のトランジスタがオフ、第２のトランジスタがオン状態となる。

回転しているモータを停止させる為、トルク指令信号のレベルをゼロトルク限界レベルよりも低くした場合、同期整流ＰＷＭ駆動におけるゼロトルク状態となる。複数相ある場合、全ての第１のトランジスタがオフ、全ての第２のトランジスタがオン状態となる為、モータの逆起電圧の影響により、駆動コイルにブレーキ電流を発生させる。すると、モータの惰性回転速度を急峻に低下させてしまうブレーキ制御となってしまう。すなわち、フリーラン制御できないという問題があった。

二つ目は、あらかじめ設定された回転速度にモータを引き込む際、不安定動作になり、引き込みまでの時間が長くなってしまうという問題である。特に、設定回転速度が低速である場合、この問題は顕著になる。

モータ起動制御の一例として、モータが設定回転速度に到達するまでは、トルク指令信号のレベルを高トルクレベルに設定し素早くモータ回転速度を上昇させ、設定回転速度に到達した後は、トルク指令信号のレベルを低下させ設定回転速度に引き込む方式がある。

図１４を用いて、同期整流ＰＷＭ駆動における、設定回転速度にモータを引き込む際、不安定動作になり、引き込みまでの時間が長くなってしまうという問題について説明する。

図１４は、モータの設定回転速度引き込み動作例を示した図である。図１３にて説明した内容と同様に、三角波を用いてトルク指令信号をスライスすることにより、ＰＷＭ駆動信号が生成されるものとする。また、トルク指令信号のレベルが高い程、モータ回転トルクが大きくなるものとする。

初期状態で、トルク指令信号のレベルは三角波の下限レベルよりも低く設定され、モータ回転トルクは発生せず、モータは停止しているものとする。

まず、モータを起動させる為、トルク指令信号のレベルを増加させることにより、起動指令が与えられる。トルク指令信号は、三角波上限レベル以上の最大トルクレベルに設定され、モータ回転トルクが最大トルクレベルまで上昇する。次第にモータ回転速度が上昇し、設定回転速度に到達する。設定回転速度に到達したことを検知し、トルク指令信号のレベルを低下させるまで、若干の応答遅延が発生する。この応答遅延中にもモータ回転速度は上昇し続け、一時的に設定回転速度を上回る。そして、上回ったモータ回転速度を低下させる為、減速指令が与えられ、トルク指令信号のレベルは低下する。特に設定回転速度が低速である場合、トルク指令信号のレベルは、一時的に三角波下限レベル以下のゼロトルクレベルまで低下する。

図１３にて説明した一点目の問題と同様に、同期整流ＰＷＭ駆動におけるゼロトルク状態が継続すると、モータの逆起電圧の影響により、駆動コイルにブレーキ電流を発生させる。このタイミングで、モータの回転速度は急峻に低下する。そして、モータ回転速度が設定回転速度まで低下したことを検知し、若干の応答遅延後に、下回ったモータ回転速度を増加させる為、再度加速指令が与えられ、トルク指令信号のレベルは増加する。これら一連の動作を繰り返した後、最終的にモータは設定回転速度への引き込みを完了する。

これら一連の動作中、駆動コイルにブレーキ電流が発生し、モータ回転速度を急峻に低下させてしまうタイミングがある。このタイミングにおいて、設定回転速度まで上昇させたモータ回転速度を著しく低下させてしまう。その結果、再度高トルクを与えて、急峻にモータ回転速度を増加させる制御が働く。言い換えれば、モータ回転速度及びトルク指令信号の、急激な低下及び増加を繰り返す為、不安定動作になり、引き込みまでの時間が長くなってしまうという問題がある。

上記問題に鑑み、本発明は、同期整流ＰＷＭ駆動方式のモータ駆動装置について、専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御可能にし、また、設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮可能にすることを課題とする。

上記課題を解決するために本発明によって次のような手段を講じた。すなわち、モータ駆動装置であって、モータのロータ位置に基づいて通電相を切り替える通電相切換部と、電源電圧とグランドとの間に直列接続されたハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタならびにこれらトランジスタにそれぞれ並列接続されたフライホイールダイオードからなるハーフブリッジが複数個並列接続されてなるパワ段と、トルク指令信号に応じたデューティ比のデューティパルス信号を生成するＰＷＭ制御部と、前記トルク指令信号と比較基準信号との電圧レベルを比較するトルク比較部と、前記比較基準信号を生成する比較基準信号生成部と、前記通電相切換部及びＰＷＭ制御部の各出力に従って前記パワ段における前記各トランジスタをＰＷＭ駆動する通電制御部であって、前記トルク比較部の出力を受け、前記トルク指令信号の電圧レベルが前記比較基準信号の電圧レベルよりも高い第１の場合には前記パワ段を同期整流ＰＷＭ駆動し、前記トルク指令信号の電圧レベルが前記比較基準信号の電圧レベルよりも低い第２の場合には同期整流ＰＷＭ駆動以外で前記パワ段を駆動する通電制御部とを備えているものとする。

あるいは、モータ駆動装置であって、モータのロータ位置に基づいて通電相を切り替える通電相切換部と、電源電圧とグランドとの間に直列接続されたハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタならびにこれらトランジスタにそれぞれ並列接続されたフライホイールダイオードからなるハーフブリッジが複数個並列接続されてなるパワ段と、トルク指令信号に応じたデューティ比のデューティパルス信号を生成するＰＷＭ制御部と、前記デューティパルス信号のデューティ比が所定値よりも大きいか否かを検知するデューティ検知部と、前記通電相切換部及びＰＷＭ制御部の各出力に従って前記パワ段における前記各トランジスタをＰＷＭ駆動する通電制御部であって、前記デューティ検知部の出力を受け、前記デューティパルス信号のデューティ比が前記所定値よりも大きい第１の場合には前記パワ段を同期整流ＰＷＭ駆動し、前記デューティパルス信号のデューティ比が前記所定値よりも小さい第２の場合には同期整流ＰＷＭ駆動以外で前記パワ段を駆動する通電制御部とを備えているものとする。

これらによると、トルク指令信号の電圧レベルあるいはデューティパルス信号のデューティ比に応じて、同期整流ＰＷＭ駆動の動作／停止を切り換えることができるため、専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御することが可能であり、且つ設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮することができる。

具体的には、前記ＰＷＭ制御部は、三角波を前記トルク指令信号でスライスして前記デューティパルス信号を生成するものであり、前記比較基準信号の電圧レベルは、前記三角波の下限レベルよりも低い。

また、具体的には、前記通電制御部は、前記第２の場合には、前記パワ段における前記ハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタのいずれか一方のみをＰＷＭ駆動する片側ＰＷＭ駆動、あるいは前記パワ段における前記ハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタの全てをオフにする全相オフ制御を行う。

本発明によると、専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御が可能となり、また、設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮することができる。

図１は、第１及び第２の実施形態に係るモータ駆動装置のブロック図である。図２は、第１及び第３の実施形態に係るモータ駆動装置における通電制御部の具体的回路図である。図３は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置の同期整流ＰＷＭ駆動の動作波形図である。図４は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置のフリーラン制御の動作波形図である。図５は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置のブレーキ制御の動作波形図である。図６は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置の設定回転速度引き込みの動作波形図である。図７は、第２及び第４の実施形態に係るモータ駆動装置における通電制御部の具体的回路図である。図８は、第２の実施形態に係るモータ駆動装置のフリーラン制御の動作波形図である。図９は、第３及び第４の実施形態に係るモータ駆動装置のブロック図である。図１０は、第３及び第４の実施形態に係るモータ駆動装置におけるデューティ検知部の具体的回路図である。図１１は、第３の実施形態に係るモータ駆動装置のフリーラン制御の動作波形図である。図１２は、第４の実施形態に係るモータ駆動装置のフリーラン制御の動作波形図である。図１３は、従来のモータ駆動装置の同期整流ＰＷＭ駆動の動作波形図である。図１４は、従来のモータ駆動装置の設定回転速度引き込みの動作波形図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態において同じ符号を付した構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るモータ駆動装置について、以下に説明する。図１は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置の全体構成例を示すブロック図である。駆動対象であるモータは、ロータマグネット１００と駆動コイルＬｉ（ｉは１から３までの各整数）で構成される。駆動コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の一端は共通接続される。パワ段１０は、電源電圧ＶＣＣとグランドとの間に直列接続されたハイサイドトランジスタＭＨｉ及びローサイドトランジスタＭＬｉならびにこれらトランジスタにそれぞれ並列接続されたフライホイールダイオードＤＨｉ，ＤＬｉからなるハーフブリッジが３個並列接続されてなる。ハイサイドトランジスタＭＨｉとローサイドトランジスタＭＬｉとの接続点ＯＵＴｉに駆動コイルＬｉの他端が接続される。

トランジスタＭＨｉ，ＭＬｉは、通電制御部２０から出力される駆動信号ＧＨｉ，ＧＬｉの論理レベルに応じて、それぞれスイッチング動作を行い、駆動コイルＬｉに通電を行うことにより、モータを駆動する駆動電力を生成する。トランジスタＭＨｉ，ＭＬｉは、ＧＨｉ，ＧＬｉの論理レベルがハイレベルのときオン状態となり、ＧＨｉ，ＧＬｉの論理レベルがローレベルのときオフ状態となる。トランジスタＭＨｉ，ＭＬｉとして、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等が使用できる。本実施形態ではＮｃｈＭＯＳトランジスタが使用されている。

通電相切換部３０は、ロータマグネット１００と駆動コイルＬｉの位置関係、すなわち、モータのロータ位置を検出し、その検出結果である通電相切換信号ＨＡｉを生成し、通電制御部２０へ出力する。ロータ位置の検出には、図示しないホール素子等の位置検出素子や、駆動コイルＬｉの逆起電圧をモニタするセンサレス手段等が使用可能である。ＨＡｉは、それぞれ三相のロータ位置に対応し、互いに１２０°ずつ角度のずれた信号となる。このＨＡｉに基づいて、通電制御部２０は、駆動コイルＬｉの通電相を切り換える。

トルク指令信号ＶＳＰは、モータの回転トルクを指定する為に与えられる。ＶＳＰの電圧レベルが高い程、モータは高トルクに設定され、低い程、モータは低トルクに設定される。本実施形態に係るモータ駆動装置は、専用のスタート／ストップ指令端子を持たず、ＶＳＰのレベル制御にて、スタート／ストップ制御させるものとする。具体的手段としては、ＶＳＰのレベルを、モータに回転トルクが発生するレベルまで増加させればスタート指令、モータに回転トルクが発生しないレベルまで低下させればストップ指令と設定される。なお、ＶＳＰは、直接的に電圧レベルが印加され制御される構成であってもよいし、加速指令及び減速指令のパルス信号を容量に積分するような、間接的に電圧レベルが制御される構成（図示せず）であってもよい。

ＰＷＭ制御部４０は、ＶＳＰの電圧レベルに応じたデューティ比のデューティパルス信号ＤＵを生成し、通電制御部２０へ出力する。ＤＵのオンデューティは、ＶＳＰの電圧レベルが高い程長く設定され、低い程短く設定されるものとする。具体的手段としては、任意の周波数で発振する三角波を用いて、ＶＳＰをスライスすることにより、ＤＵを生成する方法が挙げられる。ＶＳＰの電圧レベルが、三角波の上限レベルよりも高い場合、ＤＵはハイレベルに固定され、モータ回転トルクは最大となる。逆に、ＶＳＰの電圧レベルが、三角波の下限レベルよりも低い場合、ＤＵはローレベルに固定され、モータ回転トルクはゼロトルクとなる。すなわち、ＶＳＰの電圧レベルが、モータの回転トルクをゼロトルクに指定する限界レベルは、三角波の下限レベルと等しいレベルである。

比較基準信号生成部５０は、任意の電圧レベルの比較基準信号ＶＳＰＬを生成し、トルク比較部６０へ出力する。トルク比較部６０は、比較器であり、ＶＳＰの電圧レベルとＶＳＰＬの電圧レベルを比較し、その比較結果であるトルク検知信号ＴＣＯＭＰを通電制御部２０へ出力する。ＶＳＰの電圧レベルがＶＳＰＬの電圧レベルよりも高い場合は、ＴＣＯＭＰはハイレベルであって、低い場合は、ＴＣＯＭＰはローレベルであるものとする。

ここで、閾値となるＶＳＰＬの電圧レベルは、ＶＳＰの電圧レベルが、モータの回転トルクをゼロトルクに指定する限界レベルよりも低いレベルに設定されるものとする。すなわち、ＶＳＰＬの電圧レベルは、三角波の下限レベルよりも低いレベルに設定される。

通電制御部２０は、ＨＡｉと、ＤＵと、ＴＣＯＭＰとに応じて、ハイサイドトランジスタＭＨｉと、ローサイドトランジスタＭＬｉのオン／オフを制御する為のＧＨｉ，ＧＬｉを出力する。さらに、通電制御部２０は、ハイサイドトランジスタＭＨｉと、ローサイドトランジスタＭＬｉの両方をＰＷＭ動作させる同期整流ＰＷＭ駆動が可能であって、ＴＣＯＭＰにより、同期整流ＰＷＭ駆動の動作／停止が選択されるものとする。

具体的には、ＶＳＰの電圧レベルが、ＶＳＰＬの電圧レベルよりも高い場合、すなわちＴＣＯＭＰがハイレベルである場合は同期整流ＰＷＭ駆動の動作が選択され、低い場合、すなわちＴＣＯＭＰがローレベルである場合は同期整流ＰＷＭ駆動の停止が選択される。

本実施形態では、同期整流ＰＷＭ駆動の停止が選択された場合、ハイサイドトランジスタＭＨｉと、ローサイドトランジスタＭＬｉの片方のみをＰＷＭ動作させる片側ＰＷＭ駆動に設定されるものとする。

これらの動作を制御する通電制御部２０は、例えば図２に示すような具体的回路で構成することができる。なお、図２ではＨＡ１からＧＨ１，ＧＬ１を生成する部分しか示していないが、ＨＡ２，ＨＡ３から、ＧＨ２，ＧＬ２，ＧＨ３，ＧＬ３を生成する部分も同様の構成である。

図３を用いて、本実施形態に係るモータ駆動装置の同期整流ＰＷＭ駆動の動作例を説明する。図３において、ＶＳＰの電圧レベルが、ＶＳＰＬの電圧レベルよりも高い為、ＴＣＯＭＰはハイレベルであり、同期整流ＰＷＭ駆動の動作が選択されている。また、ＤＵは、三角波を用いて、ＶＳＰをスライスすることにより生成されている。

図３の横軸は電気角であり、３６０°すなわち電気角一周期分の動作を示している。先述の通り、ＨＡｉは、互いに１２０°ずつ角度のずれた信号となる。トランジスタＭＨｉ，ＭＬｉは、ＧＨｉ，ＧＬｉの論理レベルがハイレベルのときオン状態となり、ＧＨｉ，ＧＬｉの論理レベルがローレベルのときオフ状態となる。

ＨＡ１がハイレベルの場合、ＤＵに応じた信号がＧＨ１に出力される。同期整流ＰＷＭ駆動に設定されている為、ＧＨ１がハイレベルの場合、ＧＬ１がローレベルに設定され、逆にＧＨ１がローレベルの場合、ＧＬ１はハイレベルに設定される。

ＨＡ１がローレベルの場合、ＤＵはＧＨ１には出力されず、ＧＨ１はローレベルに設定され、ＧＬ１はハイレベルに設定される。他相に関しては、ＨＡ２とＧＨ２，ＧＬ２、ＨＡ３とＧＨ３，ＧＬ３がそれぞれ対応しており、同様の動作をする。これら一連の動作により、駆動コイルＬｉに通電を行い、モータを駆動する駆動電力を生成する。

なお、三相変調ＰＷＭ駆動や二相変調ＰＷＭ駆動のように、ＨＡｉに基づいて細分化されたデューティプロファイルを生成し、ＧＨｉ，ＧＬｉごとに異なるデューティパルス信号を振り分ける方式であってもよく、その構成に制約は無い。

以上のように構成された本実施形態に係るモータ駆動装置において、図４を用いて、フリーラン制御における動作例を説明する。図４は、図３の動作における任意の時点（Ａ時点）に、ＶＳＰの電圧レベルをＶＳＰＬの電圧レベルよりも低下させることにより、ストップ指令が与えられたものとする。

Ａ時点において、ＶＳＰの電圧レベルが、三角波の下限レベルよりも低下すると、ＤＵがローレベルに固定される。さらに、ＶＳＰの電圧レベルが、ＶＳＰＬの電圧レベルよりも低下すると、ＴＣＯＭＰがローレベルに設定される。

以下に、Ａ時点以後のＧＨ１，ＧＬ１の動作について説明する。ＨＡ１がハイレベルの場合、ＤＵに応じたローレベル信号が、ＧＨ１に出力される。ＴＣＯＭＰはローレベルであり、片側ＰＷＭ駆動に設定されている為、ＧＨ１がローレベルであっても、ＧＬ１がローレベルに設定される。

ＨＡ１がローレベルの場合、ＤＵはＧＨ１には出力されず、ＧＨ１はローレベルに設定され、ＧＬ１はハイレベルに設定される。他相に関しては、ＨＡ２とＧＨ２，ＧＬ２、ＨＡ３)とＧＨ３，ＧＬ３がそれぞれ対応しており、同様の動作をする。

Ａ時点以後の、上記動作を要約すると、ハイサイドトランジスタＭＨｉはオフ固定となり、ローサイドトランジスタＭＬｉはＨＡｉに応じてオン／オフ制御される。ローサイドトランジスタＭＬｉは、ＨＡｉに応じて、モータに回転トルクを発生させるべきタイミングのみオンとなり、モータの逆起電圧によりブレーキ電流が発生するタイミングはオフとなる。この結果、モータ回転速度を急峻に低下させるブレーキ電流は発生せず、モータの惰性回転速度を緩やかに低下させるフリーラン制御が可能となる。

なお、モータの惰性回転速度が十分低下した後は、片側ＰＷＭ駆動を解除し、再度同期整流ＰＷＭ駆動に設定されてもよいし、ハイサイドトランジスタＭＨｉとローサイドトランジスタＭＬｉの全てをオフさせる全相オフ制御に設定されてもよい。言い換えれば、モータの惰性回転中における所定時間の間のみ片側ＰＷＭ駆動に設定すれば、フリーラン制御は実現できる。

次に、図５を用いて、ブレーキ制御における動作例を説明する。図５は、図３の動作における任意の時点（Ｂ時点）に、ＶＳＰの電圧レベルを、三角波下限レベルよりも低く、且つＶＳＰＬの電圧レベルよりも高く設定することにより、ストップ指令が与えられたものとする。

Ｂ時点において、ＶＳＰの電圧レベルが、三角波の下限レベルよりも低下すると、ＤＵがローレベルに固定される。ここで、ＶＳＰの電圧レベルが、ＶＳＰＬの電圧レベルよりも高い為、ＴＣＯＭＰはハイレベルを継続する。

以下に、Ｂ時点以後のＧＨ１，ＧＬ１の動作について説明する。ＨＡ１がハイレベルの場合、ＤＵに応じたローレベル信号が、ＧＨ１に出力される。ＴＣＯＭＰはハイレベルであり、同期整流ＰＷＭ駆動に設定されている為、ＧＨ１がローレベルの場合は、ＧＬ１がハイレベルに設定される。

ＨＡ１がローレベルの場合、ＤＵはＧＨ１には出力されず、ＧＨ１はローレベルに設定され、ＧＬ１はハイレベルに設定される。他相に関しては、ＨＡ２とＧＨ２，ＧＬ２、ＨＡ３とＧＨ３，ＧＬ３がそれぞれ対応しており、同様の動作をする。

Ｂ時点以後の、上記動作を要約すると、ハイサイドトランジスタＭＨｉはオフ固定となり、ローサイドトランジスタＭＬｉはオン固定となる為、モータの逆起電圧によりブレーキ電流が発生する。この結果、モータの惰性回転速度を急峻に低下させるブレーキ制御も可能となる。

図３、図４、図５にて説明した内容は、以下三点の制御に集約される。
１．ＶＳＰの電圧レベルが、三角波の下限レベルよりも高く設定された場合は、同期整流ＰＷＭ駆動によるモータ回転制御である。
２．ＶＳＰの電圧レベルが、三角波の下限レベルよりも低く、且つＶＳＰＬの電圧レベルよりも高い場合は、ブレーキ制御である。
３．ＶＳＰの電圧レベルが、ＶＳＰＬの電圧レベルよりも低い場合は、フリーラン制御である。

本実施形態に係るモータ駆動装置のような、専用のスタート／ストップ指令端子を持たず、ＶＳＰのレベル制御にて、スタート／ストップ制御させる仕様であった場合において、上記三点の制御は非常に有効である。つまり、ＶＳＰのみ制御すれば、モータ回転制御、ブレーキ制御、フリーラン制御の三状態を制御できる為、様々な仕様のモータ搭載機器に対して、汎用性高く使用できるという効果をもたらす。

次に、図６を用いて、モータの設定回転速度引き込み動作例を説明する。なお、図６において横軸は時間を示す。初期状態で、ＶＳＰの電圧レベルは、三角波の下限レベルよりも低く設定され、モータ回転トルクは発生せず、モータは停止しているものとする。

まず、モータを起動させる為、ＶＳＰの電圧レベルを増加させることにより、起動指令が与えられる。ＶＳＰは、三角波上限レベル以上の最大トルクレベルに設定され、モータ回転トルクが最大トルクレベルまで上昇する。次第にモータ回転速度が上昇し、設定回転速度に到達する。設定回転速度に到達したことを検知し、ＶＳＰの電圧レベルを低下させるまで、若干の応答遅延が発生する。この応答遅延中にもモータ回転速度は上昇し続け、一時的に設定回転速度を上回る。そして、上回ったモータ回転速度を低下させる為、減速指令が与えられ、ＶＳＰの電圧レベルは低下する。特に設定回転速度が低速である場合、ＶＳＰの電圧レベルは、一時的に三角波下限レベル以下のゼロトルクレベルまで低下する。ここで、ＶＳＰの電圧レベルは、ＶＳＰＬの電圧レベルよりも低下したものとする。

図４を用いて説明した動作の通り、この時点において片側ＰＷＭ駆動に設定される為、モータ回転速度を急峻に低下させるブレーキ電流は発生しない。よって、モータ回転速度は緩やかに低下する。そして、モータ回転速度が設定回転速度まで低下したことを検知し、若干の応答遅延後に、下回ったモータ回転速度を増加させる為、再度加速指令が与えられ、トルク指令信号のレベルは増加する。これら一連の動作を繰り返した後、最終的にモータは設定回転速度への引き込みを完了する。

これら一連の動作中、駆動コイルにブレーキ電流が発生し、モータ回転速度を急峻に低下させてしまうタイミングは、ＶＳＰの電圧レベルが、三角波下限レベルよりも低く、且つＶＳＰＬよりも高い時間に限定される。あらかじめ、三角波下限レベルと、ＶＳＰＬの電圧レベルをごく近い値に設定しておけば、この時間を短時間に設定することが可能であり、ブレーキ電流の発生を最小限に抑えることが可能である。

設定回転速度まで上昇させたモータ回転速度を著しく低下させてしまうブレーキ制御の発生が最小限に抑えられる為、モータ回転速度の変動は緩やかである。結果として、モータ回転トルクの急激な変動を抑えることが可能である。すなわち、モータ回転速度及びＶＳＰの、急激な低下及び増加を抑えられる為、安定動作であって、設定回転速度に引き込むまでの時間を短縮することが可能である。

次に、閾値となるＶＳＰＬの電圧レベルが、三角波の下限レベルよりも低く設定される理由を、以下に記載する。

モータに回転トルクが発生する場合は、モータを回転させる意思があるとみなし、常に同期整流PWM駆動を可能とし、低損失及び高効率駆動を実現する。モータに回転トルクが発生しない場合は、モータを減速又は停止させる意思があるとみなし、同期整流ＰＷＭ駆動を停止し、回転速度を緩やかに低下させるフリーラン制御を実現する。すなわち、モータの回転トルクを検知することにより、状態に応じた適切な制御が実現可能である。

以上のように、本実施形態によれば、ＶＳＰの電圧レベルを検知し、片側ＰＷＭ駆動に切り換える制御を有することにより、同期整流ＰＷＭ駆動のモータ駆動装置において、専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御することが可能であり、且つ設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮することが可能である、という効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るモータ駆動装置について、以下に説明する。なお、本実施形態に係るモータ駆動装置の全体構成例は、第１の実施形態に係るモータ駆動装置と同様である為、重複する内容については、説明を省略する。第１の実施形態と異なる点は、通電制御部２０の内部構成である。

本実施形態に係るモータ駆動装置における通電制御部２０では、同期整流ＰＷＭ駆動の停止が選択された場合、ハイサイドトランジスタＭＨｉと、ローサイドトランジスタＭＬｉの全てをオフさせる全相オフ制御が設定されるものとする。これらの動作を制御する通電制御部２０は、例えば図７に示すような具体的回路で構成することができる。なお、図７では、ＨＡ１からＧＨ１，ＧＬ１を生成する部分しか示していないが、ＨＡ２，ＨＡ３から、ＧＨ２，ＧＬ２，ＧＨ３，ＧＬ３を生成する部分も同様の構成である。

同期整流ＰＷＭ駆動の動作が選択されている場合は、図３で説明した動作と同様である為、説明を省略する。

以上のように構成された本実施形態に係るモータ駆動装置において、図８を用いて、フリーラン制御における動作例を説明する。図８は、図３の動作における任意の時点（Ｃ時点）に、ＶＳＰの電圧レベルをＶＳＰＬの電圧レベルよりも低下させることにより、ストップ指令が与えられたものとする。

Ｃ時点において、ＶＳＰの電圧レベルが、三角波の下限レベルよりも低下すると、ＤＵがローレベルに固定される。さらに、ＶＳＰの電圧レベルが、ＶＳＰＬの電圧レベルよりも低下すると、ＴＣＯＭＰがローレベルに設定される。

以下に、Ｃ時点以後のＧＨｉ，ＧＬｉの動作について説明する。ＴＣＯＭＰはローレベルであり、全相オフ制御に設定されている為、ＧＨｉ，ＧＬｉは全てローレベルに設定される。ハイサイドトランジスタＭＨｉ及びローサイドトランジスタＭＬｉは全てオフとなる。この結果、モータ回転速度を急峻に低下させるブレーキ電流は発生せず、モータの惰性回転速度を緩やかに低下させるフリーラン制御が可能となる。

なお、モータの惰性回転速度が十分低下した後は、全相オフ制御を解除し、再度同期整流ＰＷＭ駆動に設定されてもよいし、片側ＰＷＭ駆動に設定されてもよい。言い換えれば、モータの惰性回転中における所定時間の間のみ全相オフ制御に設定すれば、フリーラン制御は実現できる。

本実施形態に係るモータ駆動装置においては、同期整流ＰＷＭ駆動の停止が選択された場合、ハイサイドトランジスタＭＨｉ及びローサイドトランジスタＭＬｉは全てオフとなり、駆動コイルＬｉに与える一切の電力供給が遮断される為、より安定なフリーラン制御が可能である。

本実施形態に係るモータ駆動装置が第１の実施形態と異なる点は、同期整流ＰＷＭ駆動の停止が選択された場合、全相オフ制御になる点のみである。片側ＰＷＭ駆動であっても、全相オフ制御であっても、モータの惰性回転速度を緩やかに低下させるという点では、同等の効果が得られる。よって、第１の実施形態において説明したその他の効果を、本実施形態においても同様に得る事ができる。

以上のように、本実施形態によれば、ＶＳＰの電圧レベルを検知し、全相オフ制御に切換える制御を有することにより、同期整流ＰＷＭ駆動のモータ駆動装置において、専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御することが可能であり、且つ設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮することが可能である、という効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係るモータ駆動装置について、以下に説明する。図９は、第３の実施形態に係るモータ駆動装置の全体構成例を示すブロック図である。本実施形態に係るモータ駆動装置は、第１及び第２の実施形態に係るモータ駆動装置の比較基準信号生成部５０及びトルク比較部６０に代えて、デューティ検知部７０を設けたものである。それ以外の、重複する内容については、説明を省略する。

デューティ検知部７０は、ＤＵのデューティ比が所定値よりも大きいか否かを検知し、その検知結果であるデューティ検知信号ＴＦＲＱを通電制御部２０へ出力する。ＤＵのデューティ比が所定値よりも大きい場合は、ＴＦＲＱはハイレベルであって、ＤＵのデューティ比が所定値よりも小さい場合は、ＴＦＲＱはローレベルであるものとする。ここで、所定値は、ＶＳＰの電圧レベルが、モータの回転トルクをゼロトルクに指定する限界レベルよりも低いレベルに設定されたときのＤＵのデューティ比であるものとする。すなわち、ＴＦＲＱは、ＤＵが少しでもハイレベルとなる場合はハイレベルに設定され、ＤＵが全くハイレベルにならない場合はローレベルに設定される。

これらの動作を制御するデューティ検知部７０は、例えば図１０に示すような具体的回路で構成することができる。フリップフロップ７１，７２は、セット端子Ｓと、信号入力端子Ｄと、クロック入力端子ＣＫと、出力端子Ｑを有する。フリップフロップの動作としては、セット端子Ｓにハイレベルが入力された場合、出力端子Ｑをハイレベルに固定する。セット端子Ｓにローレベルが入力された場合、クロック入力端子ＣＫの立ち上がりエッジが入力されたタイミングで、入力端子Ｄの信号を出力端子Ｑに通す。クロック入力端子ＣＫの立ち上がりエッジが入力されない場合、入力端子Ｄの信号は保持される。フリップフロップ７１の信号入力端子Ｄにはローレベル固定信号が入力され、フリップフロップ７２の信号入力端子Ｄにはフリップフロップ７１の出力が入力される。フリップフロップ７１，７２のクロック入力端子ＣＫには任意の周期で発振する基準パルス信号が入力される。ここで、基準パルス信号の発振周期は、三角波の発振周期と同一であるものとする。

デュティ検知部７０の動作を以下に説明する。ＤＵがハイレベルを出力した時点で、ＴＦＲＱがハイレベルに設定される。ＤＵがローレベルに切り換わった後、再度ハイレベルに切り換えられる前に、基準パルス信号の立ち上がりエッジが二回入力されると、ＴＦＲＱはローレベルに設定される。基準パルス信号の発振周期は、三角波の発振周期と同一である。よって、ＴＦＲＱをローレベルに設定する為には、三角波の一周期中、ＤＵが全くハイレベルにならない動作が必要となる。デューティ検知部７０はこれらの動作により、ＤＵがハイレベルとなる／ならない状態を検知し、ＴＦＲＱを出力する。

なお、三相変調ＰＷＭ駆動や二相変調ＰＷＭ駆動のように、ＨＡｉに基づいて細分化されたデューティプロファイルを生成し、ＧＨｉ，ＧＬｉごとに異なるデューティパルス信号を振り分ける方式である場合、デューティプロファイルの中、任意の一状態におけるＤＵを選択し、そのレベルを検知する方法であってもよい。

本実施形態に係るモータ駆動装置の通電制御部２０において、第１及び第２の実施形態と異なる点は、ＴＣＯＭＰがＴＦＲＱに置き換わっている点のみである。図２に示される具体的回路例としては、ＴＣＯＭＰがＴＦＲＱに置き換わる以外は、同一の構成である。それ以外の、重複する内容については、説明を省略する。

以上のように構成された本実施形態に係るモータ駆動装置において、図１１を用いて、フリーラン制御における動作例を説明する。図１１は、図４と同様に、任意の時点（Ｄ時点）に、ＶＳＰの電圧レベルを三角波下限レベルよりも低下させることにより、ストップ指令が与えられたものとする。

Ｄ時点において、ＶＳＰの電圧レベルが、三角波の下限レベルよりも低下すると、ＤＵがローレベルに固定される。Ｄ時点以後、デューティ検知部７０の動作により、基準パルス信号の立ち上がりエッジが二回入力されると、ＴＦＲＱがローレベルに設定される。基準パルス信号の発振周期は、三角波の発振周期と同一である為、Ｄ時点から三角波二周期分遅れたＥ時点で、ＴＦＲＱがローレベルに設定される。

以下に、Ｄ時点からＥ時点の間におけるＧＨ３，ＧＬ３の動作について説明する。ＨＡ３がハイレベルの場合、ＤＵに応じたローレベル信号が、ＧＨ３に出力される。ＴＦＲＱはハイレベルであり、同期整流ＰＷＭ駆動に設定されている為、ＧＬ３がハイレベルに設定される。

ＨＡ３がローレベルの場合、ＤＵはＧＨ３には出力されず、ＧＨ３はローレベルに設定され、ＧＬ３はハイレベルに設定される。他相に関しては、ＨＡ２とＧＨ２，ＧＬ２、ＨＡ１と駆動信号ＧＨ１，ＧＬ１がそれぞれ対応しており、同様の動作をする。

Ｄ時点からＥ時点の間における、上記動作を要約すると、ハイサイドトランジスタＭＨｉはオフ固定となり、ローサイドトランジスタＭＬｉはオン固定となる。Ｅ時点以後は、ＴＦＲＱがローレベルに設定される為、片側ＰＷＭ駆動に設定される。Ｅ時点以後の動作は、図４におけるＡ時点以後の動作と同様になる為、説明を省略する。

これら一連の動作中、駆動コイルにブレーキ電流が発生し、モータ回転速度を急峻に低下させてしまうタイミングは、ハイサイドトランジスタＭＨｉがオフ固定となり、ローサイドトランジスタＭＬｉがオン固定となるＤ時点からＥ時点の間に限定される。Ｄ時点からＥ時点の間の時間は、三角波の周波数に依存する。一般的なモータ駆動装置におけるＰＷＭ周波数（三角波周波数）は、数十ｋＨｚと比較的高い値である為、Ｄ時点からＥ時点の間はごく短い時間である。よって、ブレーキ制御の発生によるモータ回転速度の急峻な低下は、ほぼ影響無いレベルに抑えられる。この結果、モータ回転速度を急峻に低下させるブレーキ電流の発生は、ほぼ影響無いレベルに抑えられ、モータの惰性回転速度を緩やかに低下させるフリーラン制御が可能となる。

なお、モータの惰性回転速度が十分低下した後は、片側ＰＷＭ駆動を解除し、再度同期整流ＰＷＭ駆動に設定されてもよいし、全相オフ制御に設定されてもよい。言い換えれば、モータの惰性回転中における所定時間の間のみ片側ＰＷＭ駆動に設定すれば、フリーラン制御は実現できる。

モータの設定回転速度引き込み動作としては、図６にて説明した内容と同様の動作となり、同等の効果を得ることができる為、説明を省略する。

次に、ＴＦＲＱが、ＤＵが少しでもハイレベルとなる場合はハイレベルに設定され、ＤＵが全くハイレベルとならない場合はローレベルに設定される理由を以下に記載する。

第１の実施形態と同様に、モータに回転トルクが発生する場合は、モータを回転させる意思があるとみなし、常に同期整流ＰＷＭ駆動を可能とし、低損失及び高効率駆動を実現する。モータに回転トルクが発生しない場合は、モータを減速又は停止させる意思があるとみなし、同期整流ＰＷＭ駆動を停止し、回転速度を緩やかに低下させるフリーラン制御を実現する。すなわち、モータの回転トルクを検知することにより、状態に応じた適切な制御が実現可能である。

以上のように、本実施形態によれば、ＤＵのデューティ比を検知し、片側ＰＷＭ駆動に切換える制御を有することにより、同期整流ＰＷＭ駆動のモータ駆動装置において、専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御することが可能であり、且つ設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮することが可能である、という効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態に係るモータ駆動装置について以下に説明する。なお、本実施形態に係るモータ駆動装置の全体構成例は、第３の実施形態に係るモータ駆動装置と同様である為、重複する内容については、説明を省略する。第３の実施形態と異なる点は、通電制御部２０の内部構成である。

本実施形態に係るモータ駆動装置における通電制御部２０では、同期整流ＰＷＭ駆動の停止が選択された場合、全相オフ制御が設定されるものとする。図７に示される具体的回路例としては、ＴＣＯＭＰがＴＦＲＱに置き換わる点以外は、同一の構成である。それ以外の、重複する内容については、説明を省略する。

以上のように構成された本実施形態に係るモータ駆動装置において、図１２を用いて、フリーラン制御における動作を説明する。図１２は、図１１と同様に、任意の時点（Ｆ時点）に、ＶＳＰの電圧レベルを三角波下限レベルよりも低下させることにより、ストップ指令が与えられたものとする。

Ｇ地点までの動作に関しては、図１１におけるＥ地点までの動作と同様である為、説明を省略する。Ｇ時点以後は、ＴＦＲＱがローレベルに設定される為、全相オフ制御に設定される。Ｇ時点以後の動作は、図８におけるＣ時点以後の動作と同様になる為、説明を省略する。この結果、モータ回転速度を急峻に低下させるブレーキ電流の発生は、ほぼ影響無いレベルに抑えられ、モータの惰性回転速度を緩やかに低下させるフリーラン制御が可能となる。

本実施形態に係るモータ駆動装置が第３の実施形態と異なる点は、同期整流ＰＷＭ駆動の停止が選択された場合、全相オフ制御になる点のみである。片側ＰＷＭ駆動であっても、全相オフ制御であっても、モータの惰性回転速度を緩やかに低下させるという点では、同等の効果が得られる。よって、第３の実施形態において説明したその他の効果を、本実施形態においても同様に得ることができる。

以上のように、本実施形態によれば、ＤＵのデューティ比を検知し、全相オフ制御に切換える制御を有することにより、同期整流ＰＷＭ駆動のモータ駆動装置において、専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御することが可能であり、且つ設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮することが可能である、という効果を得ることができる。

なお、本発明は、以上の実施形態に限定されることはなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

本発明に係るモータ駆動装置は、専用のスタート／ストップ指令端子を持たない仕様であってもフリーラン制御することが可能であり、且つ設定回転速度にモータを引き込む際に安定であって、引き込みまでの時間を短縮することが可能である為、同期整流ＰＷＭ駆動方式のモータ駆動装置等として有用である。

１０パワ段
２０通電制御部
３０通電相切換部
４０ＰＷＭ制御部
６０トルク比較部
５０比較基準信号生成部
７０デューティ検知部
ＭＨ１，ＭＨ２，ＭＨ３ハイサイドトランジスタ
ＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３ローサイドトランジスタ
ＤＨ１，ＤＨ２，ＤＨ３，ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３フライホイールダイオード

Claims

モータのロータ位置に基づいて通電相を切り替える通電相切換部と、
電源電圧とグランドとの間に直列接続されたハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタならびにこれらトランジスタにそれぞれ並列接続されたフライホイールダイオードからなるハーフブリッジが複数個並列接続されてなるパワ段と、
トルク指令信号に応じたデューティ比のデューティパルス信号を生成するＰＷＭ制御部と、
前記トルク指令信号と比較基準信号との電圧レベルを比較するトルク比較部と、
前記比較基準信号を生成する比較基準信号生成部と、
前記通電相切換部及びＰＷＭ制御部の各出力に従って前記パワ段における前記各トランジスタをＰＷＭ駆動する通電制御部であって、前記トルク比較部の出力を受け、前記トルク指令信号の電圧レベルが前記比較基準信号の電圧レベルよりも高い第１の場合には前記パワ段を同期整流ＰＷＭ駆動し、前記トルク指令信号の電圧レベルが前記比較基準信号の電圧レベルよりも低い第２の場合には同期整流ＰＷＭ駆動以外で前記パワ段を駆動する通電制御部とを備えている
ことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１のモータ駆動装置において、
前記ＰＷＭ制御部は、三角波を前記トルク指令信号でスライスして前記デューティパルス信号を生成するものであり、
前記比較基準信号の電圧レベルは、前記三角波の下限レベルよりも低い
ことを特徴とするモータ駆動装置。
モータのロータ位置に基づいて通電相を切り替える通電相切換部と、
電源電圧とグランドとの間に直列接続されたハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタならびにこれらトランジスタにそれぞれ並列接続されたフライホイールダイオードからなるハーフブリッジが複数個並列接続されてなるパワ段と、
トルク指令信号に応じたデューティ比のデューティパルス信号を生成するＰＷＭ制御部と、
前記デューティパルス信号のデューティ比が所定値よりも大きいか否かを検知するデューティ検知部と、
前記通電相切換部及びＰＷＭ制御部の各出力に従って前記パワ段における前記各トランジスタをＰＷＭ駆動する通電制御部であって、前記デューティ検知部の出力を受け、前記デューティパルス信号のデューティ比が前記所定値よりも大きい第１の場合には前記パワ段を同期整流ＰＷＭ駆動し、前記デューティパルス信号のデューティ比が前記所定値よりも小さい第２の場合には同期整流ＰＷＭ駆動以外で前記パワ段を駆動する通電制御部とを備えている
ことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１及び３のいずれか一つのモータ駆動装置において、
前記通電制御部は、前記第２の場合には、前記パワ段における前記ハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタのいずれか一方のみをＰＷＭ駆動する片側ＰＷＭ駆動を行う
ことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１及び３のいずれか一つのモータ駆動装置において、
前記通電制御部は、前記第２の場合には、前記パワ段における前記ハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタの全てをオフにする全相オフ制御を行う
ことを特徴とするモータ駆動装置。